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如何準(zhǔn)確地測量芯片的電源噪聲

發(fā)布時(shí)間:2021-02-05 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】隨著5G、車聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的飛速發(fā)展,信號的傳輸速度越來越快,集成電路芯片的供電電壓隨之越來越小。早期芯片的供電通常是5V和3.3V,而現(xiàn)在高速IC的供電電壓已經(jīng)到了2.5V、1.8V或1.5V,有的芯片的核電壓甚至到了1V。芯片的供電電壓越小,電壓波動(dòng)的容忍度也變得越苛刻。對于這類供電電壓較小的高速芯片的電壓測試用電源噪聲表示,測求要求從±5%到 ±-1.5%,乃至更低。
 
1 日益發(fā)展的技術(shù)對芯片電壓測試的挑戰(zhàn)
 
隨著5G、車聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的飛速發(fā)展,信號的傳輸速度越來越快,集成電路芯片的供電電壓隨之越來越小。早期芯片的供電通常是5V和3.3V,而現(xiàn)在高速IC的供電電壓已經(jīng)到了2.5V、1.8V或1.5V,有的芯片的核電壓甚至到了1V。芯片的供電電壓越小,電壓波動(dòng)的容忍度也變得越苛刻。對于這類供電電壓較小的高速芯片的電壓測試用電源噪聲表示,測求要求從±5%到 ±-1.5%,乃至更低。
 
如何準(zhǔn)確地測量芯片的電源噪聲
圖1 日益發(fā)展的技術(shù)對芯片電壓測試的挑戰(zhàn)
 
如果芯片的電源噪聲沒有達(dá)到規(guī)范要求,就會(huì)影響產(chǎn)品的性能,乃至整機(jī)可靠性。因此工程師需要準(zhǔn)確地測量現(xiàn)代電路產(chǎn)品中的芯片電壓的電源噪聲。
 
2 芯片電源噪聲的特點(diǎn)
 
2.1 更小幅度,更高頻率
 
以往電源噪聲的要求維持在幾十mV的量級,而隨著芯片電壓的降低,很多芯片的電源噪聲已經(jīng)到了mV的量級,某些電源敏感的芯片要求甚至到了百uV的量級。直流電源上的噪聲是數(shù)字系統(tǒng)中時(shí)鐘和數(shù)據(jù)抖動(dòng)的主要來源。處理器、內(nèi)存等芯片對直流電源的動(dòng)態(tài)負(fù)載隨著各自時(shí)鐘頻率而發(fā)生,并可能在直流電源上耦合高速瞬態(tài)變化和噪聲,它們包含了1 GHz以上的頻率成分。
 
因此與傳統(tǒng)的電源相比,芯片電源的噪聲具有頻率高/幅度小等特點(diǎn),這就為了工程師準(zhǔn)確地測得芯片的電源噪聲帶來了挑戰(zhàn)。
 
如何準(zhǔn)確地測量芯片的電源噪聲
表1 傳統(tǒng)電源和芯片電源頻率和噪聲范圍
 
2.2 電源分布網(wǎng)絡(luò)(PDN)引入的噪聲干擾
 
為了保證電路上各個(gè)芯片的供電,電源分布網(wǎng)絡(luò)(PDN)遍布整個(gè)PCB。如果電源分布網(wǎng)絡(luò)靠近時(shí)鐘或者數(shù)據(jù)的PCB走線,那么時(shí)鐘/數(shù)據(jù)的變化會(huì)耦合到電源分布網(wǎng)絡(luò)上,也會(huì)成為電源噪聲的來源。在這種情況下,工程師還需要定位電源噪聲的來源,以便后續(xù)調(diào)整PCB的布局和布線,減少PDN網(wǎng)絡(luò)受到的干擾。
 
如何準(zhǔn)確地測量芯片的電源噪聲
圖2 時(shí)鐘/數(shù)據(jù)傳輸線耦合到電源分布網(wǎng)絡(luò)的干擾
 
3 影響電源噪聲測試準(zhǔn)確性的因素
 
示波器是電源噪聲測試的重要儀器。為了能夠準(zhǔn)確地測量GHz帶寬內(nèi)mV級別的電源噪聲,并定位干擾電源分布網(wǎng)絡(luò)的噪聲來源,需要考慮如下因素:示波器的底噪,探頭的衰減比,示波器的偏置補(bǔ)償能力,探頭的探接方式,以及示波器的FFT能力等等。      
     
3.1 示波器底噪
 
示波器本身是有噪聲的。當(dāng)示波器測試電源噪聲時(shí),其底噪會(huì)附加到被測的電源噪聲上,進(jìn)而影響電源噪聲的測試結(jié)果。
 
如何準(zhǔn)確地測量芯片的電源噪聲
圖3 示波器底噪對電源噪聲測試結(jié)果的影響
 
3.2 探頭的衰減比
 
目前最常用的500MHz帶寬的無源探頭的衰減比為10:1,其會(huì)放大示波器的底噪,影響電源噪聲測試的不確定性。
 
如果用傳統(tǒng)的衰減比為1:1的無源探頭,可以避免放大示波器的底噪。但是這種探頭的帶寬一般在38MHz,無法測到更高頻率的電源噪聲。同樣會(huì)影響電源噪聲測試的不確定性。
 
所以,為了準(zhǔn)確測量電源噪聲,需要一款衰減比為1:1,帶寬到GHz的探頭。
 
如何準(zhǔn)確地測量芯片的電源噪聲
圖4 探頭的衰減比對電源噪聲測試的影響
 
3.3 示波器的偏置補(bǔ)償能力
 
電源噪聲是疊加在芯片直流電壓上的噪聲,為此需要將示波器的偏置電壓設(shè)到與直流電壓相等的水平,再測量電源的噪聲。例如某芯片的供電電壓是3.3V,首先將示波器的偏置電壓調(diào)到3.3V,然后再測試3.3V直流電源上的噪聲波動(dòng),但是示波器在該偏置電壓的垂直擋位會(huì)受限,一般只能到20mV/div,用來測試mV級別的電源噪聲,會(huì)帶來很大的誤差。
 
為了解決類似問題,有的工程師使用隔直電容去除直流,但會(huì)導(dǎo)致直流電源壓縮和丟失低頻漂移信息。如果電容值選取不當(dāng),還會(huì)影響高頻能量。
 
如何準(zhǔn)確地測量芯片的電源噪聲
圖5 示波器的偏置補(bǔ)償能力受限
 
如何準(zhǔn)確地測量芯片的電源噪聲
圖6 隔直電容影響低頻信息
 
3.4 探頭的探接方式
 
電路形態(tài)各異,需要有更靈活的方法來進(jìn)行信號的探接。探接的穩(wěn)定性和寄生參數(shù)對被測電源電路的影響不可忽視,所以需要盡量貼近芯片的管腳,并使用短地線。
           
如何準(zhǔn)確地測量芯片的電源噪聲
圖7 貼近芯片管腳,使用短地線
 
3.5 示波器的FFT能力
 
由于電源分布網(wǎng)絡(luò)PDN會(huì)受到干擾噪聲的來源,因此需要示波器具有強(qiáng)大的FFT分析能力,以便分析的干擾噪聲的頻率,進(jìn)而排查噪聲的源頭。
 
如何準(zhǔn)確地測量芯片的電源噪聲
圖8 FFT分析電源噪聲的頻譜
 
4 羅德與施瓦茨(R&S)的芯片電源測試方案
 
為了準(zhǔn)確地測量芯片的電源噪聲,羅德與施瓦茨公司(R&S公司)提供了示波器主機(jī)和Power Rail電源軌探頭。
 
4.1 測試儀器
 
R&S公司推出的RTO/RTE系列示波器,具有百uV級別底噪,在標(biāo)稱帶寬內(nèi)具有1mV/div的垂直擋位(硬件實(shí)現(xiàn),非放大),并具有強(qiáng)大的具備硬件數(shù)字下變頻器(DDC)實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)頻譜分析功能,可以幫助工程師準(zhǔn)確地測量電源噪聲,并排查干擾噪聲的來源。
          
如何準(zhǔn)確地測量芯片的電源噪聲
圖9 RTO示波器(左)和RTE示波器(右)
 
Power Rail電源軌探頭RT-ZPR20(2GHz) / RT-ZPR40(3.5GHz)具有優(yōu)異的性能,專門位為電源測試量身打造。
 
1. 在2GHz/3.5GHz帶寬內(nèi)具備標(biāo)準(zhǔn)化的衰減比,保證能夠測試到GHz帶寬mV級別的電源噪聲;
2. 探頭內(nèi)置+/-60V的偏置能力,提升測試系統(tǒng)的偏置補(bǔ)償能力;
3. 探頭具有50 kΩ 的高直流輸入阻抗,可最大程度地降低對待測電源的干擾;
4. 探頭內(nèi)部集成式 16 位數(shù)字電壓計(jì)功能可同步讀取每路電源的直流電壓數(shù)值,并可一鍵精準(zhǔn)設(shè)置示波器的偏置電壓;
5. 專用的同軸探測線纜可焊接到電源濾波電容的兩端,標(biāo)配的點(diǎn)測附件則便于PCB上不同位置的輕松探測。
 
如何準(zhǔn)確地測量芯片的電源噪聲
圖10 RT-ZPR20/40關(guān)鍵參數(shù)
 
 
如何準(zhǔn)確地測量芯片的電源噪聲
圖11 RTO-ZPR20/40的各種連接方式與帶寬
 
4.2 測試實(shí)例
 
下面介紹利用RTO示波器和 Power Rail電源軌探頭RT-ZPR20測試電源噪聲,并排查噪聲來源的實(shí)例。
 
如何準(zhǔn)確地測量芯片的電源噪聲
圖12 一次探接便可從時(shí)頻和域測試電源噪聲
 
將RT-ZPR20探頭連接到測試點(diǎn)后,按照如下操作進(jìn)行測試
 
1. RT-ZPR20內(nèi)置電壓計(jì)實(shí)現(xiàn)高精度DC電壓測試,測得電源電壓為3.3V;
2. RT-ZPR20的偏置設(shè)到3.3V附近,并將示波器兩成設(shè)到10mV/div;
3. 示波器測得電源噪聲波形,從時(shí)域波形上發(fā)現(xiàn)有明顯的干擾噪聲;
4. 對電源噪聲幅值進(jìn)行測試與統(tǒng)計(jì);
5. FFT頻譜分析,得到干擾噪聲的頻譜,確定噪聲的來源。
 
5 總結(jié)
 
R&S公司的RTO/RTE系列示波器,配以專門的電源軌探頭RT-ZPR20/40,可以準(zhǔn)確測量芯片的電源噪聲,優(yōu)異的頻譜FFT分析能力還可以快速排查電源噪聲,保證產(chǎn)品的可靠性。
 
 
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